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Ricitos de oro y las enanas rojas

La mejor introducción
para el tema de hoy.

El descubrimiento de Solaris se remontaba a unos cien años antes de mi nacimiento. El planeta gravita alrededor de dos soles, un sol rojo y un sol azul […] Los trabajos de la expedición duraron dieciocho meses […] El equipo de sabios se dividió […] siendo el océano el motivo de la disputa […] los biólogos lo consideraban como una formación primitiva […] una célula fluida, única y monstruosa […] Los astrónomos y los físicos afirmaban en cambio que aquella era una estructura organizada […] que era capaz de influir eficazmente en el trazado de la órbita. (Solaris, 1961)  

 

Éste es el espectro de absorción de la clorofila d, analizado por mi colega Jose Luis Garrido (CSIC, Vigo) en un cultivo de la cianobacteria Acaryochloris marina. El máximo en el rojo atraviesa el límite (700 nm) de la luz visible para adentrarse en el infrarrojo…y créanme, esto es muy raro. 

 

Espectro de absorción de la clorofila d de un cultivo de la cianobacteria Acaryochloris marina (RCC1983).

 

Esas bolitas verdes son Acaryochloris marina.
Imagen de microscopía electrónica.
Fuente: AEM. Autor: Qvortrup K. & Behrendt L.

Acaryochloris fue descubierto por casualidad en el interior de ascidias en el Pacífico. Luego se han encontrado epífitas sobre algas rojas, debajo de algas incrustantes en arrecifes, en biofilms dentro de rocas…desde los mares del Japón a la Antártida, y también en el famoso Salton Sea

Acaryochloris puede crecer en ambientes pobres en luz visible usando longitudes de onda del infrarrojo cercano que no absorben otros seres fotosintéticos.

La rareza de la clorofila d en Acaryochloris ha llamado mucho la atención a quienes trabajan en intentar descifrar señales de vida en otros mundos.
Y no hablo de vida inteligente, sino de otro tipo de asuntos más ¿probables? como la fotosíntesis.

goldilocks&3bears

Fuente: Barnes&Noble

En 1992 se descubrió el primer planeta extrasolar o exoplaneta. Hoy en día son 1.852 gracias la misión Kepler (NASA), y se piensa que sólo en nuestra galaxia puede haber >100.000 millones (triste dato para los escépticos de la vida extraterrestre).

Entre ellos, se ha dedicado especial interés a rastrear planetas en la región habitable de su estrella, también conocida como “ricitos de oro” (Goldilocks en inglés). La expresión viene de la niña del cuento “Ricitos de oro y los tres osos”, que entraba a hurtadillas en casa de los úrsidos y escogía aquello que más le convenía, a saber: la sopa del osito (ni muy fría ni muy caliente), el sofá del osito (ni muy duro ni muy blando) y finalmente la cama del osito, justo de su tamaño.

Buscamos planetas en los que pueda haber vida y la zona “ricitos de oro” es aquella ni muy fría ni muy caliente donde la existencia de agua líquida es posible. 

La Tierra está en el límite interno de la región habitable y apenas se conocen 30 exoplanetas que cumplan tal requisito (los escépticos se animan un poco). El primer exoplaneta habitable, similar a la Tierra, se descubrió en 2014: Kepler-186f, en la constelación del Cisne a 500 años luz, orbitando a una enana roja. Esta clase de estrellas, más frías y pequeñas que el Sol son las más numerosas de nuestra galaxia (>70%), lo cual unido a su longevidad las convierte en candidatas a poseer planetas habitables en su entorno.
Sus “ricitos de oro” son estrechos y quizás no tan acogedores, pero hay muchas y malo será !!

No podemos ver exoplanetas pero sí calcular su tamaño, órbita, y las probabilidades de que sean rocosos o gaseosos. Y se acaba justo de publicar un estudio (Esteves y col, 2015) con estimaciones climáticas a partir de las variaciones del brillo diurno y nocturno. Sepan que en menos de 2 décadas posiblemente conseguiremos señales espectrales para indagar sobre la composición de su atmósfera y sustancias de origen biológico. Por el momento se trabaja con modelos que permitan descifrar esas señales e interpretar procesos como la fotosíntesis. Aquí quería yo llegar…

Es una incógnita cómo puede haber evolucionado la fotosíntesis al amparo de una estrella diferente al Sol, pero a partir del tipo e intensidad de luz que emana de las estrellas podemos predecir las longitudes de onda en las que absorberían los pigmentos fotosintéticos y la influencia de esas plantas en la señal espectral de un mundo remoto.

Tres planetas orbitando una enana roja.
Fuente: Wikimedia Commons. Autor: NASA/JPL-Caltech

Una de esas señales sería el VRE (“Vegetation Red Edge”), un cambio en la reflectancia en el infrarrojo (700-750 nm) debido a que la clorofila a (chl a) absorbe fuertemente en el rojo (aprox. 680 nm) pero a partir de ahí se vuelve transparente. El VRE procede únicamente de las plantas terrestres: el del fitoplancton no es visible porque el agua absorbe a esas longitudes de onda…

El VRE es fácil de detectar desde el espacio en el caso de la Tierra. Pero su identificación en otros planetas podría ser una ardua tarea: la cobertura de nubes debería ser muy baja y la densidad de vegetación elevada. También podría estar desplazado a otras longitudes de onda.

Esta imagen es de la galería de Chromecast.

Imaginemos un exoplaneta con organismos fotosintéticos que orbitase a una enana roja.
El tipo de luz sería débil, parecida a un crepúsculo permanente, con un espectro enriquecido en el rojo y el infrarrojo.

En ese ambiente de luz tenue y rojiza los organismos fotosintéticos necesitarían pigmentos para captar fotones del infrarrojo cercano. Igual que han hecho en la Tierra algunas cianobacterias.

Hoy en día se conocen dos clorofilas que absorben en el infrarrojo cercano, las clorofilas d y f , que sustituyen en parte (o casi por completo) a la clorofila universal: la chl a.  Hasta hace poco sólo se habían encontrado en Acaryochloris marina y Halomicronema hongdechloris). Pero Airs y col. (2014) han descubierto un hecho curioso: si iluminas la cianobacteria Chlorogloeopsis fritschii con luz artificial blanca (sin infrarrojo) sólo posee chl a, mientras que la luz natural (o sólo infrarrojo) estimula la producción de chl d y f.

El ojo humano percibe la luz típicamente entre los 400 y 700 nm de longitud de onda. Los máximos de absorbancia de la clorofila a y b están en el rojo, mientras que la clorofila d y f absorben en el infrarrojo cercano. Fuente: Li et al (2012).

En la NASA, científicas como Nancy Kiang estudian la interacción entre la biosfera y la atmósfera enfocada a la astrobiología, y ella ha propuesto que este tipo de clorofilas que absorben en el infrarrojo cercano serían muy útiles en exoplanetas iluminados por enanas rojas.

El submarino ALVIN muestreó el fondo del Pacífico
donde descubrieron la bacteria GSB1.
Fuente: World Navies Today

Pero la radiación a esas longitudes de onda puede también provenir de algo distinto a una estrella:
el calor interno de un planeta. 

Las bacterias fotosintéticas tienen bacterioclorofilas (BChl) que permiten absorber longitudes de onda de hasta 1.000 nm (p.ej. Rhodopseudomonas viridis y su BChl b), como las que se filtran a través de sedimentos turbios anóxicos.

Y en 2005 se descubrió una bacteria verde del azufre (GSB1) que realizaba fotosíntesis a 2.400 metros de profundidad, gracias únicamente a la radiación geotérmica de una fuente hidrotermal, en el mismísimo fondo del Océano Pacífico…

La radiación que recibe la bacteria GSB1 en el infrarrojo es muy débil pero suficiente para que su BChl c y un aparato fotosintético especializado puedan aprovecharla para realizar fotosíntesis. Así que los ambientes en los que la fotosíntesis es posible son mucho más diversos de lo que pensábamos…!!

Europa.
Fuente: NASA.
Autor: NASA/JPL/SETI

El calor interno de un planeta puede proceder, en mayor o menor grado, de la energía de las mareas que ocasiona la atracción gravitatoria entre los astros.

Esta fuente de energía alternativa a las estrellas extiende la posibilidad de la vida más allá de los “ricitos de oro”.

Una luna de Júpiter, Europa, ofrece una de las mayores promesas de vida extraterrestre: bajo una superficie helada se cree que existe un océano en contacto con su corteza…

Agradecimientos: a Daniel Vaulot y a la colección de cultivos RCC (Roscoff, Francia) por la muestra de Acaryochloris marina (RCC1983), y a Jose Luis por cederme el espectro de la chl d.


Referencias:
-Airs RL y col. Chlorophyll f and chlorophyll d are produced in the cyanobacterium Chlorogloeopsis fritschii when cultured under natural light and near-infrared radiation. FEBS Lett. 588: 3770-3777 (2014).
-Beatty JT y col. An obligately photosynthetic bacterial anaerobe from a deep-sea hydrothermal vent. PNAS 102:9306-9310 (2005).
-Chan Y-W y col. Pigment compositionand adaptation in free-living and symbiotic strains of Acaryochloris marina. FEMS Microbiol. Ecol. 61: 65-73 (2007).
-Esteves LJ y col. Changing phases of alien worlds: probing atmospheres of Kepler-planets with high-precision photometry. Astrophys. J. ApJ 804 150 (2015).
-Kiang N y col.  Spectral Signatures of Photosynthesis. II. Coevolution with Other Stars and the Atmosphere on Extrasolar Worlds. Astrobiol. 7:252-274 (2007).
-Li Y y col. Extinction coeficients for red-shifted chlorophylls: Chlorophyll d and chlorophyll f. BBA 1817:1292-1298 (2012).

El misterio de la clorofila d

El grupo “hemo” de la hemoglobina
y el mismo macrociclo en las clorofilas.

Los pigmentos fotosintéticos absorben la luz que sirve como fuente de energía en la fotosíntesis.

Y entre esos pigmentos las clorofilas tienen una importancia especial.

Curiosamente, el anillo central de las clorofilas es igual al “grupo hemo” en la hemoglobina de la sangre: solo se diferencian en el átomo de hierro que produce que la sangre sea roja, mientras que las clorofilas tienen en su lugar magnesio.

Dos químicos franceses, Joseph Pelletier y Joseph Caventou, aislaron por primera vez la clorofila en 1817. En realidad, la sustancia verde que obtuvieron de las hojas en alguna planta (que no he podido averiguar…) era la mezcla de dos clorofilas, a y b. Fue un poco de rebote, ya que buscaban sustancias con aplicaciones en medicina…

R. Wilstätter (1872-1942)

Pero no fue hasta 1912 cuando el alemán R. Wilstätter y col. determinaron la estructura de la clorofila a. Y dicho sea de paso, esto les valió el premio Nobel de química en 1915.

La clorofila a es la molécula “colector central” de toda la energía luminosa que absorben las plantas. También se pensaba que era el caso de las microalgas, pero veremos que ellas son raritas y hay excepciones…!!

De momento viajamos a 1942, cuando se descubrieron las clorofilas c en diatomeas y algas pardas, con el nombre “supercalifragilístico” de clorofucina.

Así que tenemos por orden de descubrimiento las clorofilas a, b, c….y en 1943, los mismos de las chls c (Manning y Strain) “gritaron a los cuatro vientos” el descubrimiento de una nueva clorofila en algas rojas…Elemental querido Watson: la llamaron clorofila d.

Pero esta chl d era muy rara: absorbía la luz de forma diferente, más cerca del infrarrojo que de la luz visible, como las clorofilas de las bacterias (bacterioclorofilas)…ahí estaba la pista, pero nadie se dio cuenta hasta mucho después…

Y después de 1943 no se volvió a encontrar en alga roja ni en ser vivo alguno. Así que la recién nacida chl d cayó un poco en el olvido por no decir algo peor: se pensó que era un artefacto, un producto de degradación al extraer los pigmentos…

La ascidia Lissoclinum patella.
Disponible en la web EOL (Encyclopedia of life)
Autor: Arjan Gittenberg
http://eol.org/pages/513060/overview

Tuvieron que pasar más de 50 años para saber si la chl d era verdad ó “ficción”, y la respuesta llegó en 1996 en un trabajo publicado en Nature (Miyashita y col.).

En él reaparecía la clorofila d, pero esta vez en la cianobacteria Acaryochloris marina, que vivía en simbiosis en arrecifes de coral del archipiélago Palaos (Pacífico tropical)…en concreto dentro de la especie de ascidia de la imagen anterior…
Anfehltiopsis flabelliformis

Y en 2004, esta vez en Science, Murakami y col. (japoneses otra vez) desvelaban el misterio de cómo se había encontrado en 1943 clorofila d en un alga roja. Muy fácil: Acaryochloris vive también epifita, es decir, de forma libre sobre otros organismos, casualmente algas rojas: Anfehltiopsis flabelliformis.

Y fue así como la clorofila d recuperó su lugar entre las demás clorofilas. Su especialidad: absorber luz cerca del infrarrojo, una adaptación al hábitat de luz que tiene Acaryochloris, con poca luz visible…
Acaryochloris marina MBIC11017,
la misma cepa que aislaron
Miyashita y col. en 1996
http://bacmap.wishartlab.com/organisms/595

Para terminar, aprovechando que Acaryochloris se puede cultivar, se confirmó que la clorofila d sustituye en esta cianobacteria a la clorofila a como “colector central” de la energía luminosa. Es el primer caso conocido en algas de vida libre, si ignoramos a cianobacterias como Prochlorococcus, que tienen DV clorofila a, una variante de la clorofila a

“De casta le viene al galgo”…las cianobacterias son únicas…se nota que “inventaron” la fotosíntesis !!!



Referencias:

-Larkum AWD y Kühl M. Chl d: the puzzle resolved. Trends in Plant Science 10:355-357 (2005).
-Miyashita, H y col. Chlorophyll d as a major pigment. Nature 383:402 (1996).
-Murakami, A y col. Chlorophyll d in an epiphytic cyanobacterium of red algae. Science 303: 1633 (2004).